多功能悬浮式生物膜反应器设计及参数计算

张赵剑，赵永禄，周俊波，张 洋，刘伟海

(1.高分子材料加工装备教育部工程研究中心，北京化工大学，北京 100029;2.新疆中泰化学股份有限公司，新疆乌鲁木齐 830000）

多功能悬浮式生物膜反应器设计及参数计算

张赵剑1，赵永禄2，周俊波1，张 洋1，刘伟海2

(1.高分子材料加工装备教育部工程研究中心，北京化工大学，北京 100029;2.新疆中泰化学股份有限公司，新疆乌鲁木齐 830000）

介绍一种改进的生物膜反应器。该设备以氯碱工业废水为设计处理对象，集生化处理功能和预过滤功能于一身，在继承传统生物膜反应器诸多优点的前提下，创新地采用悬浮填料模块化结构，方便现场组装和后期调整需要。同时，论述反应器设计运行中主要参数的确定。

生物膜反应器;悬浮填料;模块化结构

0 引言

废水处理，尤其是成分更加复杂的工业废水处理是环保界的长期课题。废水处理、回用的难点在于如何去除其中悬浮或溶解的杂质。单纯的物理方法如吸附、过滤对悬浮杂质直接有效，但是对可溶物质的去除有局限性。深度过滤如超滤、反渗透通过孔径控制出水水质，对于冷却水、外排水深度处理回用效果显著［1］，但其前提是通过合理的设备和生化处理工艺降解大分子有机物等以减缓膜表面的污堵［2］。

目前，生化处理主要有活性污泥法和生物膜法，其中活性污泥法在工业实践中广泛应用。一方面，该方法具有很强的净化功能，去除BOD(生化需氧量）及混合液中活性污泥浓度的效率高，均可达到95%以上［3］;但另一方面，所需要的曝气池容积大，占用土地较多，基建费用高［4］。去除1 kg COD要产生0.5 kg干重的多余活性污泥，对这些固体废物处理进一步提高成本［5］。另外，无法避免的污泥膨胀问题不仅影响出水水质，增加额外处理费用，而且极易引起大量污泥流失，严重时可致使工艺失效［6］。

比较而言，生物膜法具有效率高、占地小、泥污量少等优点，得到人们越来越多的关注，发展十分迅速。生物膜可认为是由一种或是多种微生物群体组成的并附着在某种载体表面上进行生长发育［7］。生物反应器作为载体的储放单元，是微生物生长和生化反应的关键场所。其结构型式、填料选择、填料量、气水分布等参数的设计对实际应用中生化效果有很大影响。反应器的设计应在满足性能指标情况下，力求结构简单明了，制造加工容易。另外，还要考虑到后期维护、维修等操作的方便性。

本设备以氯碱工业中大量产生的聚合悬浮母液为主要处理对象进行设计，充分考虑该类废水中含有多种对微生物有害的成分，以达到回用水质标准为目标［8－9］，针对性地进行工艺参数的计算核算。

1 结构设计及填料选择

1.1 生物膜过滤反应器结构设计

就流体力学特征来说，生物膜反应器的结构尺寸决定着反应器主要特性。为了确定最佳尺寸，进而合理设计的需要，有必要提前了解结构尺寸对反应器特性的影响。根据文献资料［10］，大多数反应器H/D值一般为6∶1，即对应的 H/S(m－1）值为7.6∶1。设备为常压敞口容器，考虑到设备的制造、加工和安装，反应器选择矩形截面。参考上述信息，这里选定H/S为8∶1，在横截面尺寸为1 m×0.5 m的情况下，其外形尺寸为1 m×0.5 m×4 m。

本生物膜反应器 (见图1）采用底部进水，因此其下部有曝气进水口，顶部敞口保持常压，处理后的液体从上部溢流槽流出。反应器底部有1个穿孔曝气管系统，所述穿孔曝气管系统包括多根中空管件连接组合而成，该类型曝气装置可以有效地使气液均匀［11］。

反应器底部还有配合一定倾角的排污口，排污一般间隔为72 h左右，持续时间为10 min左右，具体排污时间和间隔需要根据实际情况确定。

本新型悬浮式生物膜反应器对填料进行模块化装填，突出特点是利用填料笼金属笼网结构对填料进行拦截，金属笼网既方便装填填料，又减小了悬浮物附着面积，并可以防止填料流失，可以有效避免因生物填料流失造成的效能下降或者填料堵塞造成设备损坏。此外笼网结构的存在，一方面起到了过滤功能，另一方面气液经过时，让气液进一步均匀，客观上起到了分布器的作用。

图1 多功能悬浮式生物膜反应器模型运行剖视及进出口图Fig.1 Multifunction suspended biofilm reactor structure

1.2 填料选择

研究结果表明:悬浮式滤料比沉没式滤料对悬浮颗粒物、有机物的去除率更高且更耐有机负荷和水力负荷冲击［12］。根据以上资料、原料母液状况和以往生化处理经验，拟采用球形高分子悬浮填料。多面空心球填料上下有多片球瓣，表面积大，传质效率高，产品的球瓣与球瓣之间空间大，此外，采用科学配方，将高分子材料经特殊工艺改性构造而成的高分子悬浮填料，亲水性好，抗冲击力强，具有易挂膜、生物活性高、处理效果好等有优点，在国内外废水处理行业得到广泛应用。

在一定容积下，填料的直径与数量负相关，填料球直径越大，需要的数量越少，填料间空隙越大，生物可附着占据的总体积越小;另一方面，填料球直径过于小，出现密实堆积的现象，水流阻力过大，可能造成一定的堵塞，因此需要选择合适的直径。Allan T.Mann等对比比重不同滤料的COD去除率研究表明［13］，滤料比重为0.92时效果优于1.05，说明在一定范围内较小比重度略优。

目前，多孔生物球填料主要有 Φ80、Φ100，Φ150三种规格产品。考虑到上述问题，这里选择Φ80的多孔生物球填料。该类型产品单个重量约18 g，比重为0.93，填充量约为2 000个/m3。

2 主要运行参数确定

考虑到菌种特性及其针对PVC母液的性质，拟采用两级生物膜反应器串联方式处理。运行参数也参照进水COD浓度的较大值600 mg/L设计。运行过程中，可根据实际情况通过控制水量，改变回流比等方式作出合理调整，保证反应器的运行稳定性。

综合考虑多方面的因素，比对参考文献中的实验情况及运行结果，合理确定母液参数如下:

2.1 原水流量

为保证出水水质，取进水COD较大值，根据容积负荷 Lv计算流量［14］:

式中:Vf为反应区体积，单级为1.5 m3，2级共有3 m3;Lv为容积负荷，5 kg［COD］/(m3·d）;S0为进水COD，600 mg/L;

用上面公式计算出最大负荷，即进水COD波动峰值情况下的进水量。根据计算结果，计算平均进水流量为1 m3/h，为了留取一定余量，设定运行流量QW为0.5 m3/h，即12.5 m3/d。

2.2 空气流量

在标准状况下，空气密度ρ=1.293 kg/m3，空气中氧质量分数为δ=0.210 kg O2/kg空气。

式中EA为曝气器的氧利用率，一般为10% ～25%。

上述公式中未知参数较多且个别参数较难测定，另外，在实际设计中只给出COD的数值而没有BOD值。虽然可根据废水的B/C值折算成BOD后进行计算，但更为实际的做法是根据经验公式直接计算曝气量［15］，再用气水比进行校核。此处采取此种

式中:R为曝气池进水COD，取600 mg/L和500 L/h计算，计算得7.2 kg/d;EA为曝气器的氧利用率，设定10%。

2.3 气水比

方法。

一般生活污水，气水比可以取8∶1～20∶1，根据相关资料。PVC母液BOD/COD普遍为0.25左右，可生化性相对较弱，属于生化难降解的废水，一般取低负荷，气水比在40∶1～60∶1比较正常。此处采取较大的气水比44∶1较符合实际情况。

2.4 曝气反应区校核

根据公式计算曝气所需容积并与设计容积对比:

式中:QW为运行进水流量，12.5 m3/d;Sx为进出水COD浓度差，2级处理母液，每级浓度差0.3 kg/m3;Lv为容积负荷，5 kg［COD］/(m3·d）。

经计算，当前状态下需要曝气反应有效体积至少为0.75 m3，而设计反应区体积为1.5 m3，满足运行需要，设计合理。

2.5 水力停留时间

水力停留时间 (hydraulic residence time，HRT）是污水在曝气池的停留时间，其为曝气池容与污水流量的比值:

参考相关研究表明［16］，在曝气池中的平均停留时间与运行方式无关，即与回流比无关，其值大小与设计水力停留时间一致，即设计水力停留时间为6 h。

3 结语

1）多功能悬浮式生物膜反应器是一种基于PVC母液深度处理研究的生化处理设备，该设备将传统的生化池和沉淀池合二为一，兼具生物处理和粗过滤的功效，极大节省空间，提高了运行效率。

2）与污泥法相比，生物膜法可以极大避免污泥膨胀，而且污泥沉降性好。特别是根据本反应器设计，配备穿孔曝气系统和均匀布水装置，使氧、有机物和微生物充分接触，更有利于离心机废水和乳化粉废水中微量PVA进行初步生物分解和COD的去除。

3）本新型的悬浮式生物膜反应器的突出特点是利用填料笼金属笼网结构对填料进行分层填装，一方面，分层填装形成间隔的不连续填料状态，使水、气进一步大范围均匀，另一方面，填料笼的模块化设计方便装填、拆卸以及维修。

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Design and operating parameter determ ination ofmultifunctional biofilm reactor with suspended packing

ZHANG Zhao-jian1，ZHAO Yong-lu2，ZHOU Jun-bo1，ZHANG Yang2，LIUWei-hai2
(1.Engineering Research Center for Polymer Processing Equipment，Ministry of Education，BeijingUniversity of Chemical Technology，Beijing 100029，China;2.Xingjiang Zhongtai Chemical Co.，Ltd.，Wulumuqi830000，China）

This paper introduces an improved biofilm reactorwith suspended packing.Inheritedmany advantages of traditional biofilm reactors，the reactor combines biological treatment with pre-filtering function，targetting to the chlor-alkali industry wastewater treating process.Its innovativemodular structure is of convenience for both on-site filling and later adjusting.Meanwhile，this paper also discusses the design process and the determination ofmain operating parameters.

biofilm reactor;suspended packing;modular structure

TU991.25

A

1672－7649(2014）04－0139－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.030

2013－06－24;

2013－10－21

新疆科技厅支疆项目(2013911045）

张赵剑(1988－）男，硕士研究生，从事化工过程机械专业研究。